باتری لیتیوم یون چیست و چگونه کار می کند؟

باتری لیتیوم یون (Li-ion) یک فناوری باتری پیشرفته است که از یون های لیتیوم به عنوان یک جزء کلیدی در الکتروشیمی خود استفاده می کند. در طول چرخه تخلیه، اتم های لیتیوم در آند یونیزه شده و از الکترون های خود جدا می شوند. یون‌های لیتیوم از آند حرکت می‌کنند و از الکترولیت عبور می‌کنند تا به کاتد برسند، جایی که با الکترون‌های خود ترکیب می‌شوند و از نظر الکتریکی خنثی می‌شوند. یون‌های لیتیوم به اندازه‌ای کوچک هستند که می‌توانند از طریق یک جداکننده میکرو تراوا بین آند و کاتد حرکت کنند. تا حدودی به دلیل اندازه کوچک لیتیوم (در رتبه سوم پس از هیدروژن و هلیوم)، باتری‌های لیتیوم یونی قادر به داشتن ولتاژ و ذخیره شارژ بسیار بالا در واحد جرم و واحد حجم هستند.باتری های لیتیوم یونی می توانند از تعدادی مواد مختلف به عنوان الکترود استفاده کنند. رایج ترین ترکیب اکسید کبالت لیتیوم (کاتد) و گرافیت (آند) است که بیشتر در دستگاه های الکترونیکی قابل حمل مانند تلفن های همراه و لپ تاپ یافت می شود. سایر مواد کاتدی شامل اکسید منگنز لیتیوم (مورد استفاده در خودروهای هیبریدی الکتریکی و الکتریکی) و فسفات آهن لیتیوم است. باتری های لیتیوم یونی معمولاً از اتر (یک کلاس از ترکیبات آلی) به عنوان الکترولیت استفاده می کنند.برخی از مزایای باتری های لیتیوم یون چیست؟در مقایسه با سایر فناوری‌های باتری قابل شارژ با کیفیت بالا (نیکل-کادمیم یا نیکل-فلز-هیدرید)، باتری‌های لیتیوم یون دارای مزایای متعددی هستند. آنها یکی از بالاترین چگالی انرژی را در بین هر فناوری باتری امروزی دارند (100-265 Wh/kg یا 250-670 Wh/L). علاوه بر این، سلول‌های باتری لیتیوم یونی می‌توانند تا 3.6 ولت، 3 برابر بیشتر از فناوری‌هایی مانند Ni-Cd یا Ni-MH تولید کنند. این بدان معنی است که آنها می توانند مقدار زیادی جریان را برای کاربردهای پرقدرت ارائه کنند، که باتری های لیتیوم یونی نیز نسبتاً کم تعمیر و نگهداری هستند و برای حفظ عمر باتری خود نیازی به دوچرخه سواری برنامه ریزی شده ندارند. باتری‌های لیتیوم یون اثر حافظه ندارند، فرآیندی مضر که در آن چرخه‌های تخلیه/شارژ جزئی مکرر می‌تواند باعث شود باتری ظرفیت کمتری را به خاطر بسپارد. این یک مزیت نسبت به Ni-Cd و Ni-MH است که این اثر را نشان می دهند. باتری‌های لیتیوم یونی نیز دارای نرخ خود تخلیه پایینی در حدود 1.5 تا 2 درصد در ماه هستند. آنها حاوی کادمیوم سمی نیستند، که باعث می شود دور انداختن آنها نسبت به باتری های Ni-Cd راحت تر باشد.با توجه به این مزایا، باتری های لیتیوم یونی جایگزین باتری های Ni-Cd به عنوان رهبر بازار در دستگاه های الکترونیکی قابل حمل (مانند گوشی های هوشمند و لپ تاپ) شده اند. باتری‌های لیتیوم یونی همچنین برای تامین انرژی سیستم‌های الکتریکی برای برخی از کاربردهای هوافضا استفاده می‌شوند، که در بوئینگ ۷۸۷ جدید و سازگار با محیط‌زیست قابل توجه است، جایی که وزن یک فاکتور هزینه قابل توجه است. از دیدگاه انرژی پاک، بسیاری از نویدهای فناوری لیتیوم یون ناشی از کاربردهای بالقوه آن در خودروهای با باتری است. در حال حاضر، پرفروش‌ترین خودروهای الکتریکی، نیسان لیف و تسلا مدل S، هر دو از باتری‌های لیتیوم یونی به عنوان منبع سوخت اصلی خود استفاده می‌کنند.باتری لیتیوم یونینموداری از چگالی انرژی ویژه و چگالی انرژی حجمی انواع مختلف باتری. باتری‌های لیتیوم یونی از این نظر از اکثر انواع باتری‌های دیگر جلوتر هستند. (Roberta A. DiLeo، موسسه فناوری روچستر)برخی از معایب باتری های لیتیوم یون چیست؟باتری‌های لیتیوم یونی، علی‌رغم وعده‌های تکنولوژیکی، هنوز دارای کاستی‌هایی هستند، به‌ویژه از نظر ایمنی. باتری های لیتیوم یونی تمایل به گرم شدن بیش از حد دارند و در ولتاژ بالا آسیب می بینند. در برخی موارد این می تواند منجر به فرار حرارتی و احتراق شود. این امر باعث ایجاد مشکلات قابل توجهی شده است، به ویژه زمینگیر شدن ناوگان بوئینگ 787 پس از گزارش آتش سوزی باتری در هواپیما. به دلیل خطرات مرتبط با این باتری ها، تعدادی از شرکت های حمل و نقل از حمل و نقل عمده باتری ها با هواپیما خودداری می کنند. باتری‌های لیتیوم یونی به مکانیسم‌های ایمنی برای محدود کردن ولتاژ و فشار داخلی نیاز دارند که می‌تواند باعث افزایش وزن و محدود کردن عملکرد در برخی موارد شود. باتری‌های لیتیوم یونی نیز در معرض پیری هستند، به این معنی که ممکن است ظرفیت خود را از دست داده و پس از چند سال اغلب از کار بیفتند. عامل دیگری که پذیرش گسترده آنها را محدود می کند هزینه آنها است که حدود 40٪ بیشتر از Ni-Cd است. پرداختن به این مسائل یک جزء کلیدی برای تحقیقات کنونی در زمینه فناوری است. در نهایت، علیرغم چگالی انرژی بالای لیتیوم یون در مقایسه با انواع دیگر باتری ها، آنها هنوز هم در حدود صد برابر کمتر از بنزین (که دارای 12700 وات ساعت بر کیلوگرم وزن یا 8760 وات ساعت در لیتر در حجم است) چگالی انرژی دارند.مشارکت های CEIنکات برجسته تحقیقیکی از راه هایی که CEI برای انجام این کار کار کرده است، تصویربرداری مستقیم است، به ویژه با استفاده از طیف سنجی اشعه ایکس. اخیراً، آزمایشگاه پروفسور جری سیدلر روشی را برای انجام طیف‌سنجی جذب اشعه ایکس نزدیک ساختار لبه (XANES) بر روی میز توسعه داده است. این تکنیک می‌تواند اندازه‌گیری‌های نسبتاً دقیقی از ویژگی‌های خاصی از وضعیت داخلی باتری را بدون نیاز به باز کردن آن و در نتیجه اختلال در سیستم، امکان پذیر کند. پیش از این، XANES تنها با شار تابشی بسیار بالا، از ابزارهایی مانند سنکروترون، قابل انجام بود. اینها امکانات بسیار بزرگ و گران قیمتی هستند که تا 1 میلیارد دلار هزینه دارند و در بین دانشمندان چنان تقاضای زیادی دارند که لیست های انتظار چند ماهه عادی است. آزمایشگاه سیدلر با بهره‌گیری از فناوری‌های نوری جدید و پیشرفته، توانسته است یک ابزار کوچک 25000 دلاری بسازد که می‌تواند اندازه‌گیری‌های انجام شده در یک سنکروترون را تقلید کند. با استفاده از این ابزار جدید، دانشمندان می توانند در چند ساعت بدون زمان انتظار قابل توجه به نتایجی دست یابند که سرعت توسعه فناوری های احتمالی را تا حد زیادی افزایش می دهد.جنبه دیگری از تحقیقات باتری CEI شامل ایجاد مدل های فیزیکی، ریاضی و محاسباتی برای حالت های داخلی باتری است. این می‌تواند به بهینه‌سازی عملکرد باتری و چرخه‌های شارژ/دشارژ کمک کند، و همچنین به پیش‌بینی و جلوگیری از خرابی‌های خطرناک باتری کمک کند. پروفسور ونکات سوبرامانیان که آزمایشگاه مدلسازی، تجزیه و تحلیل و کنترل فرآیند برای سیستم های الکتروشیمیایی (M.A.P.L.E.) را اداره می کند، مدل های باتری فیزیکی را توسعه و فرموله می کند و روی روش هایی برای شبیه سازی و حل این مدل ها با کارایی و دقت بیشتر کار می کند. M.A.P.L.E با ارائه یک مدل موثرتر، همه کاره و دقیق تر برای فناوری باتری لیتیوم یونی. تحقیقات آزمایشگاهی می تواند به طراحی دقیق باتری ها برای عملکرد ایمن تر و کارآمدتر کمک کند.سایر تمرکزهابسیاری از تحقیقات فعلی CEI شامل توسعه راه‌هایی برای درک بهتر و دستکاری وضعیت‌های داخلی حیاتی باتری‌های لیتیوم یونی است. درک عملکرد داخلی باتری برای بهبود طرح ها و ارزیابی حالت های خرابی آن مفید است.یکی دیگر از اجزای بزرگ تحقیقات CEI شامل توسعه مواد جدید برای بهبود عملکرد باتری است. تمرکز CEI شامل علم مواد سطح بالا، مانند توسعه و جایگزینی مواد جایگزین به باتری لیتیوم یونی، و همچنین شناسایی و طراحی مواد نانوساختار، یا موادی است که خواص آنها حتی با دقت در مقیاس نانو تعیین می‌شود. . محققان CEI همچنین در حال بررسی موادی هستند که می توانند جایگزین هایی برای فناوری باتری لیتیوم یونی ارائه دهند.سیلیکون به عنوان یک ماده آند در حال بررسی است زیرا می تواند یک قفس سه بعدی را تشکیل دهد که ظرفیت بیشتری برای جذب لیتیوم دارد.منبع: https://www.cei.washington.edu/education/science-of-solar/battery-technology/